Development of electrochemical catalyst and electrolysis system for CO2 capture and conversion

Abstract

지속적으로 증가하는 대기 중 이산화탄소로 인한 지구온난화는 현재 인류가 해결해야 할 가장 시급한 환경 문제로 대두되고 있다. 이를 해결하기 위해 최근 대기 중 이산화탄소를 효율적으로 포집하고 전환시키는 다양한 연구가 수행되고 있으며, 본 학위 논문에서는 전기화학적 환원을 통한 일산화탄소로의 전환과 전기분해장치를 활용한 탄산염으로의 광물화 과정을 통해 이산화탄소를 효율적으로 포집, 전환시키는 연구를 수행하였다. 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하기 위해 은과 감마상의 이산화망간 이원 물질을 환원 전극의 촉매로 이용하여 이산화탄소 환원 활성을 확인하였다. 감마상의 이산화망간은 화학적으로 합성하여 X-선 회절분석법과 전자현미경을 통해 그 특성을 확인하였고, 은-이산화망간 이원 촉매의 환원 활성을 순환전압전류실험(Cyclic voltammetry)을 통해 관찰하였다. 그 결과, 은이 10 wt% 포함된 은-이산화망간 이원 촉매가 탄소에 담지된 10 wt% 단일 은 촉매보다 이산화탄소 환원에 대해 높은 촉매 활성을 보였으며, 탄소에 담지된 50 wt% 단일 은 촉매와 그 활성 정도가 비슷하였다. 따라서 소량의 은이 포함된 은-이산화망간 이원 촉매가 이산화탄소 환원에 대한 높은 활성을 보임에 따라, 조 촉매로 사용된 감마상의 이산화망간의 역할을 확인하면서 그 경제성 역시 확보하였다. 이와 더불어, 암모니아 흡수 과정을 바탕으로 한 막 전기분해장치를 이용하여 이산화탄소를 직접적으로 광물화시킬 수 있는 시스템 개발을 수행하였다. 본 시스템을 통해 X선 회절분석법으로 성분이 확인 된 고체상의 탄산나트륨과 탄산수소나트륨 등의 탄산염을 침전물로 회수하면서 제안된 시스템의 실질적인 구현을 확인하였다. 반응 시간을 최소화하기 위해 흡수제의 농도, 전압, 이산화탄소 주입 속도 등의 조건을 변화시키면서 최적화된 조건을 확인하는 실험을 수행하였다. 그 결과 본 시스템에서 5 M 암모니아, 10 V 전압, 80 mLomin-1 속도로 이산화탄소를 주입하였을 경우 3 시간 만에 가장 빨리 측정 가능한 양의 탄산염을 얻었다. 광물화 과정의 전반적인 메커니즘을 확인하기 위하여 양 전극에 걸리는 전압에 따른 전류 량과 환원 쳄버의 pH, 전기전도도를 측정하였다. 이를 통해 제안된 시스템에서 반응 속도 제한의 주요 요인은 막을 통한 나트륨 이온의 이동 속도와 흡수제의 이산화탄소 흡수 용량인 것으로 확인되었으며, 이 뿐만 아니라 흡수제의 농도, 이산화탄소 주입 속도, 전기분해로 인한 수산화이온 발생량 등의 조건 역시 침전물 속도에 유의한 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 따라서 본 학위 연구를 통해 대기 중 이산화탄소를 감축함과 동시에 해수 담수화를 가능하게 하면서 유용한 물질을 얻을 수 있는 전기화학 시스템을 제시하였고 그 구현을 확인하였다.